水文學原理緒論人類面臨的主要水問題一、水的自然屬性和社會屬性1、主要的自然屬性：水在地球系統中作周而復始的水文循環運動；水是良好的溶劑，很多物質都容易溶解于水體；水具有勢能、動能、壓力能和化學能等，具有很好的驅動力。2、主要的社會屬性：水是維持生命不可替代的物質，是生命之源，是地球的“血液”;水可能引起澇、旱災害以及環境惡化，產生與人類生活和生產用水不協調；水雖是可再生資源，但有時空變化，因此水資源有價值，價值規律適用；水資源問題處理不好可能引發地區甚至是國家之間的尖銳矛盾，成為社會不穩定的一個因素。水文學發展的回顧一、水文學的發展簡史：萌芽階段、奠基階段、應用發展階段、現代發展階段、學科交叉研究階段。萌芽時期(遠古至約公元1400年)

在尼羅河、幼發拉底河、恒河和黃河這些古老文化發祥地的遺跡中，我們可以看到這一時期已經開始了原始的水文觀測。最早的水位觀測是在中國和埃及開始的。奠基階段：19世紀，牛頓力學使古典科學得到了極大的發展，基于牛頓力學，水科學領域有兩大發展：1856年提出描述滲流運動的達西（Darcy）定律，為研究土壤水、地下水動力學和地下水資源的形成變化奠定基礎；1871年提出描述明渠緩變不穩流運動規律的圣維南（St.Venant）方程組，為研究河道和坡面洪水運動，以及流域匯流奠定了基礎。應用發展階段：20世紀初至50年代，由于生產力的發展，人們期望能夠科學的了解和掌握河流洪水與枯水的變化規律。現代發展階段：20世紀60~70年代，電子計算機的發明和應用所引發的信息革命，帶來科學技術的突飛猛進。學科交叉研究階段：近10多年來，全球氣候變化及大氣、海洋、陸地相互作用的研究，引起了水文學家的廣泛興趣，并認為波及許多國家的水危機和洪澇災害，與全球氣候變化異常有關。水文學研究方法的基本特點多學科的交叉與滲透通過水文實驗揭示水文規律應用流域水文模型探索水文規律確定性與隨機性研究方法的結合水文學常用研究方法１、考察法目的是了解一個地區的水體;方法是通過調查和考察,收集改地區的水文地理資料，這些資料多半是關于水體的描述和水情的定性特征。２、長期觀測法目的是了解水體長時間內發生的變化，方法是水文站觀測，定量描述。３、成因分析法目的是闡明支配水文變化過程的規律，不僅要作定性描述，還要作定量的分析，方法是對水文現象要素及影響因素進行定性、定量的分析，如降雨徑流，融雪徑流。４、數理統計法目的是了解水文現象特征值的統計規律，方法是一概率論為工具進行頻率計算，求水文現象特征值的統計規律。５、地理綜合法氣候要素、地理要素的分布具有地區性，據此特點，可建立地區經驗公式，繪制特征值等值線圖，從而分析水文地區規律。第二章水文循環和水量平衡第二節水文循環現象水文循環的定義：水圈中的各種水體，在太陽輻射和地心引力的作用下，通過不斷的蒸發、水氣輸送、凝結、降落、下滲、地面和地下徑流的往復循環過程，稱為水文循環，也稱水循環。分類：大循環（外循環）和小循環（內循環）：海-陸大循環；陸-陸小循環和海-海小循環；水文循環的四個環節：蒸發、水汽輸送、降水、徑流水文循環的驅動力：內因——水在常溫狀態下的三相轉換，外因——太陽輻射和地球引力的作用影響水分循環的因素各影響因素主要是通過蒸發，水汽輸送，降水和徑流四個環節影響水分循環的。(一)氣象因素：是影響水分循環的主導因素，起著主導作用。因為在水分循環的四個環節中，有三個環節蒸發，輸送，凝結降水取決于氣象過程，亦地面輻射，大氣環流和熱量平衡。(二)下墊面因素：通過對水分循環的蒸發和徑流兩個環節而影響水分循。主要有水面的大小、地下水位的高低、植被、地表坡度、巖石透水性。下墊面因素對水分循環的影響比較復雜，在人類生產活動過程中，有時需要加快某環節的速度，有時需要延緩某環節，按人類的需要去影響水分循環。(三)人類活動對水分循環的影響人類活動是通過改變下墊面因素進而影響蒸發，徑流，降水三個環節而影響水分循環的。表現：調節徑流(使徑流均勻)、加大蒸發、增加降水。水文現象的基本特點（一）、在過程中的環境性和人為性（二）、在過程內的周期性和隨機性（三）、在地區上的相似性和差異性（四）、在運動時的同在性和獨立性（五）、水文現象的永無止盡性第三節水文循環的尺度全球水文循環它是空間尺度最大的水文循環，也是最完整的水文循環，涉及到大氣、海洋、陸地之間的相互作用，與全球氣候變化的關系密切；流域或區域水文循環：其就是流域降雨徑流形成過程，空間尺度一般在1~10000km2之間，是流域水文學或徑流形成學研究的核心；實際上并沒有嚴格的尺度規定；這部分是目前研究最多的尺度水-土-植系統水文循環是流域水循環的一部分，是自然界最小的水文循環。其不僅是流域水文學的基礎，更是生態水文學的重要研究基礎。地球上水的儲量及水量平衡一、地球系統中水的儲量存在于地球圈層中的水可分為地面水、地下水、大氣水和生物水等四個部分海洋水占全球水量的96.54%；地球上的淡水僅占總量的2.53%與人類生存和發展關系最為密切的河流、湖泊、沼澤儲存的水量只占到全部水量的0.014%大氣總水量占0.001%，這部分水量所占比例很小，但是循環更新快，是地球上可更新淡水資源的主要來源。二、地球系統中水的更新速度水體通過水循環得到更新，更新所需時間：三、水平衡原理水量平衡是水文循環遵循物質不滅定律的具體表現，水量平衡方程式實際就是水量收支平衡關系式，具體表達式為：WI-WO=△WS四、流域水量平衡方程式對于流域而言，水量平衡方程式可以表達為：P+RgI=E+RsO+RgO+q+△W通過上式可以得到閉合流域的水量平衡方程式:P=E+R+△W進一步得到閉合流域多年水量平衡方程式:P0=E0+R0五、全球水量平衡方程式地球由陸地和海洋兩部分組成，其年水量平衡方程式可以分別寫為：Ec=Pc-R+△WcEs=Pc+R+△Ws對于多年平均值來講，蓄變量趨于零，將上兩式相加得到：E0=P0此式即為全球多年平均水量平衡方程式。它表明，對全球而言，多年平均降水量與多年平均蒸散發量相等第三章流域和水系第一節基本概念一、分水線山峰山脊鞍部地下分水線地表分水線二、流域地面分水線包圍的匯集降落在其中的雨水留至出口的區域稱為流域。三、河流降落到地面的雨水，除下滲、蒸發損失外，在重力的作用下沿一定的方向和路徑流動，這種水流稱為地面徑流。地面徑流長期侵蝕地面，沖成溝壑，形成溪流，最后匯集成河流。河谷：河流流經的谷地。河槽：谷地過水部分沿水流方向河流可分為：河源、上游(V型)、中游(U型)、下游和河口(特點）四、坡地流域中水系以外的陸域部分稱為坡地。坡地的幾何形狀：傾斜面、收斂曲面、發散曲面五、流域基本單元一個流域按流域內的自然分水線劃分成若干不嵌套的子流域，再劃分成更小的不嵌套的子流域……最后劃分成不可在劃分的部分就是流域基本單元，它是組成流域的最小單位。基本形狀：書型、扇形、倒扇形、馬蹄形第二節水系的拓撲學特征水系的拓撲學特征主要表現為：水系分叉、河流分級、滿足河數定律水系分叉大量的資料表明：自然界的水系一般屬于二分叉樹的形狀。水系的組成：源、出口、節點、鏈。一般來講，源越多，水系的量級就越大，反之水系的量級就越小。二、河流分級水系中直接流入海洋、湖泊的河流稱為干流。流入干流的河流稱為一級支流；匯入一級支流的河流為二級支流。其余以此類推。三、河數定律w級河流的數目Nw隨著w的增加而減小，且水系中最高級別的河流數目總是1。定義水系中w級河流數目Nw與高一級（w+1）河流數目Nw+1的比值稱為分叉比，記作Rb。1945年霍頓發現，對于一個自然水系，其近似于一個常數。第三節水系的幾何學特征河流長度河流長度是指從起始斷面，沿河流中心線至終了斷面的距離。河長定律河長比RL：w級河流的平均長度與比其低一級即（w-1）級河流的平均長度的比值。對于自然水系而言，RL幾乎不變，大量資料分析表明，河長比約為：1.5~3.5鏈長度鏈長度可作為水系中基本的單元河長。彎曲度在河流上取兩點，其沿中心線的長度與該兩點之間的直線長度的比值稱為這兩點之間河段的彎曲率。河流比降河段上相鄰兩斷面河底的高程差與該兩斷面之間中心線的長度的比值稱為河底比降S比降定律比降比的公式：河流橫斷面形狀交匯角霍頓1945年研究發現，兩條河流的交匯角與該兩條河流的比降有關，即：1212tancostan橫斷面利奧波德（Leopold）和馬多克（Madock）在1953年研究指出，通過河流橫斷面的流量與斷面平均流速或水面寬或斷面平均水深之間的關系一般為冪函數關系：第四節流域的形狀特征流域面積：分水線包圍區域的平面投影面積稱為流域面積，它是水系的集水面積。面積定律面積比:1954年舒姆（Schumm）發現，對于一個流域，RA幾乎不隨流域級w的變化而變化，大體上是一個常數（3~6）。即這就是面積定律，也稱作霍頓面積定律。流域長度從流域出口斷面至分水線的最大直線距離稱為流域長度流域寬度與它正交方向的分水線之間的最大直線距離稱為流域寬度形狀因子形態因子——流域面積與流域長度平方的比值圓度——流域面積與周長為流域周長的圓面積的比值伸長比——面積等于流域面積的圓的直徑與流域長度的比值流域的結構特征河網密度和河道維持常數單位面積流域上的河流長度稱為河網密度，即：河網密度首先由霍頓于1945年引入，它表達了流域水系排水的有效性；梅爾頓發現，河網密度與多年平均降水量和多年平均蒸發量的比值有密切的關系，而與流域面積的大小無關。河網密度的倒數稱為河道維持常數，又稱水道給養面積。二、河流頻度和鏈頻度單位流域面積上的河流數目稱為河流頻度，即梅爾頓，河流頻度和河網密度密切相關：單位面積上的鏈數稱為鏈頻度，即：三、面積-河長曲線若自分水線開始，沿河道量取河長及相應的匯水面積，則兩者之間的關系稱為面積-河長曲線四、高程曲線流域在某一高程處的水平截面面積與該高程的關系曲線稱為高程曲線。五、流域坡度流域上兩點之間的坡度是該兩點高差與它們之間直線距離的比值。第四章降水第一節降水要素和時空表示方法一、降水及其基本要素降水包括雨、雪、雹、露、霜等從空中降落到地表的液態水，其中主要是雨、雪，尤其降雨，因此也常把降水混稱為降雨。降水量等級表中，把降水分為：小雨10、中雨25、大雨50、暴雨100、大暴雨200、特大暴雨降雨深降雨歷時降雨強度降雨面積暴雨中心二、降雨時間表示方法降雨強度過程線降雨量累計過程線時段降雨柱狀圖三、降水空間表示方法等雨量線四、降雨特性綜合曲線降雨強度與歷時關系曲線降雨深與面積關系曲線降雨深與面積和歷時關系曲線第二節降雨的類型及其影響因素降雨的形成條件大量的暖濕空氣源源不斷地輸入雨區這里存在使地面空氣強烈上升的機制地面暖濕空氣→抬升冷卻→凝結為大量的云滴→降落成雨。二、降水的分類五、降水量觀測方法：器測法（雨量器和自記雨量計）、雷達探測、衛星云圖第三節區域（流域）平均降雨量主要方法及其適用條件1.算術平均法當流域內雨量站分布較均勻，地形起伏變化不大時，可用算術平均法求得流域上的平均降水量2.泰森（Thiessen）多邊形法當流域內雨量站分布不均勻時，假定流域各處的降水量由距離最近的雨量站代表3.等雨量線法當流域上雨量站分布較密時，可用等雨量線圖來計算流域平均雨量。4、距離平方倒數法（客觀運行法）例：某流域有五個雨量站：某日各站點的降雨量(mm)觀測值分別為：28.0、32.0、30.0、42.0、46.0，各雨量站的控制面積(km2)分別是：20、25、30、30、27。試用算術平均法和泰森多邊形法計算流域平均降雨量第四節降雨資料的檢驗利用雙累積曲線檢驗降水資料的一致性。降雨資料的代表性、一致性和可靠性雙累計曲線是指被檢驗雨量站的累積降雨量與其周圍若干雨量站平均值的累計雨量的相關曲線。第五章土壤水一、土壤質地土壤質地的含義：指組成土壤顆粒的主要粒徑或粒徑范圍（定性&定量）粒級（質地粒組）：砂粒、粉粒、粘粒二、土壤結構土壤結構是指：土壤中固體顆粒的排列方式、排列方向和團聚狀態，有時也指土壤空隙的幾何形狀與大小一、土壤水作用力分子力指土壤顆粒表面分子對水分子的吸引力，可達10000個大氣壓。土壤顆粒對水分子的作用不僅與孔隙度有關，更重要的是與土壤顆粒的大小有關。毛管力：由于浸潤性液體表面張力作用引起的水分在土壤毛細管中上升的力。重力：土壤水分受到的地心引力稱為重力。二、土壤水類型吸濕水：被分子力緊緊吸附在土粒表面、不能流動、也不能為植物利用的土壤水分。薄膜水：被剩余的分子力吸附在吸濕水層外的水膜，這部分水可從薄膜厚的地方緩慢地流到薄膜較薄的地方。毛管水：土壤孔隙中被毛管力所吸持的水分，不能在重力作用下流走。重力水：在重力作用下可以流動的土壤水，是地下水的來源。三、土壤水分常數土壤含水量是指包氣帶土壤含水的多少，常用單位土壤體積內包含的水體體積、或包含的水體質量來表示。水文上還常用包氣帶土層的含水量折合為水深（㎜）來表示，稱土壤蓄水量。土壤含水量常劃分為:最大吸濕水量：在飽和空氣中，干燥土粒能夠吸附的最大水量。最大分子持水量：土粒分子力所結合水分的最大量，薄膜水厚度達最大值。凋萎含水量（凋萎系數）：植物根系的吸力約為15個大氣壓，對于土粒吸附的吸力大于該值的水分，植物則無法利用。當土壤水分低于這時的含水量時，植物將缺水而凋萎死亡，該土壤含水量稱為凋萎含水量。毛管斷裂含水量：濕潤的土壤逐漸干燥時，毛管懸著水的連續狀態開始斷裂，此時的土壤含水量稱毛管斷裂含水量。土壤含水量低于該值后，土壤中的水分只能以水汽和薄膜水的形式向蒸發面運移，約為田持的65%。田間持水量：土壤能夠保持而不在重力作用下流走的最大含水量，稱田間持水量。這時繼續下滲的雨水，將補給潛水，形成地下徑流。飽和含水量：土壤中的孔隙全部被水充滿情況下的土壤含水量。一、土水勢動能和勢能土壤水的勢能通常稱為土水勢。1、重力勢2、靜水壓力勢飽和土壤中的任一深度處的水滴，受到水壓力的作用而具有的勢能稱為壓力勢。3、基質勢基質勢是指由分子力和毛管力引起的勢能的總稱。4、總勢：飽和土壤非飽和土壤三、土壤水分特征曲線土壤含水量與吸力之間的關系曲線就稱為土壤水分特征曲線，土壤水分特征曲線是土壤水運動的重要資料之一。土壤水分運動的滯后作用及其影響因素：空氣的存在、土壤膨脹和收縮等作用、接觸角作用、孔隙幾何形狀等土壤水分特征曲線的表達式維塞公式加德納公式已知某土柱處于非飽和穩定下滲狀態，其基模勢分布如圖，已知q=-11cm/天，ψA=ψB=-34cm無地面積水。(1)試確定地下水埋深及AB間的水流運動方向；（2）繪出重力ψ勢和總勢分布曲線；（3）求出點AB間的傳導度KAB。解:(1)取土柱頂層為基準面，由基模勢分布圖知地下水埋深為100m，由ΦA>ΦB知水流方向為A?B（3）q=-KdΦ/ds-11=-k[-74-(-54)]/[-40-(-20)]KAB=11第六章下滲一、土壤水分剖面及下滲現象土壤含水率沿深度方向的變化曲線稱為土壤水分剖面（土壤含水率垂向分布），它描述了土壤含水量在深度方向上的分布情況。水分透過土壤層沿垂直和水平方向滲入土壤中的現象稱為下滲。二、下滲率、下滲能力、下滲曲線下滲率f：又稱下滲強度。指單位面積上、單位時間內滲入土壤中的水量。下滲能力fp：又稱下滲容量。指在充分供水條件下的下滲率。累積下滲量FdF/dt=f下滲曲線確切地說，應稱下滲能力曲線，指地面充分供水條件下下滲率隨時間的變化過程線按水分所受的作用力及運動特征，分三個階段滲潤階段；滲漏階段；滲透階段三、下滲容量與土壤水分剖面的關系已知某地土壤累積下滲能力曲線及某次降雨的累積雨量曲線如圖，累積下滲量曲線F(t)=36t0.5+0.4t,累積降雨量曲線為P(t)=9.4t(1)求該地的下滲能力曲線f(t)及該次降雨強度過程(2)由該次降雨求出產流開始的時間解(1)f(t)=dF(t)/dt=18t-0.5+0.4i(t)=dP(t)/dt=9.4(mm/分鐘)(2)f(t)=i(t)18t-0.5+0.4=9.4t=4分徑流的概念及其形成過程一、徑流的概念徑流是指降水所形成的，沿流域地面、地下向河流、湖泊、水庫、洼地等流動的水體。沿地面流動的水流為地面(地表)徑流。沿土地壤巖石孔隙流動的水流為地下徑流。匯集到河流后，沿河床流動的水流為河川徑流。按補給來源不同，可以分為：降雨徑流，雪融徑流水流中挾帶的泥沙稱為固體徑流。二、徑流形成過程由降雨到水流匯集到流域出口斷面的整個物理過程，稱為徑流形成過程。降雨過程→扣除損失→凈雨過程→流域匯流→流量過程徑流形成過程是一個非常復雜的過程，為了便于分析，可以概括為產流過程和匯流過程產流過程凈雨：降雨扣除損失后的雨量。凈雨和其所形成的徑流數量上相等。降雨扣除損失形成凈雨的過程稱為產流過程，凈雨量也稱為產流量。匯流過程凈雨沿坡地從地面和地下匯入河網（坡地匯流），然后再沿河網匯集（河網匯流）到流域出口斷面的過程——匯流過程。徑流的表示方法河川徑流在一年內和多年期間的變化特性，稱為徑流情勢。常用流量，徑流量，徑流深，徑流模數，徑流系數的大小表示。1、流量Q：單位時間內通過某一斷面的水量。流量隨時間的變化過程用流量過程線表示。2、徑流量W：某時段（一年、一月、一日或一次洪水歷時）內通過河流某一斷面的總水量。單位：m33、徑流深R：徑流總量平鋪在整個流域